串联型五自由度机械手的结构毕业设计.docx
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串联型五自由度机械手的结构毕业设计
毕业设计（论文）
开题报告
课题名称串联型五自由度机械手的结构设计
系 别机电与自动化学院
专业班
姓 名
评分
导师（签名
20年月日
华中科技大学武昌分校
毕业设计（论文）开题报告撰写要求：
1．开题报告的主要内容
1）所选课题国内、外研究及发展状况
2）课题研究的目的和意义；
3）课题研究的主要内容、难点及关键技术；
4）研究方法及技术途径；
5）实施计划。
2．主要参考文献：
不少于3篇。
3．开题报告的字数不少于1500字，格式按《华中科技大学武昌分校专科毕业设计（论文）撰写规范》的要求撰写。
4．开题报告单独装订，本附件为封面。
华中科技大学武昌分校学生毕业设计开题报告
学生姓名
学号
专业班级
系别
自动化
指导教师
孙立鹏/王姣
职称
教授/助教
课题名称
串联型五自由度机械手的结构设计
1.目的及意义：
1.1工业机械手设计的意义
1、熟悉机械手的应用场合及有关机械手设计的步骤；
2、机械手可以提高生产过程中的自动化程度，减轻人力，便于有节奏的生产；
3、结合机械手设计这方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题、研究问题、解决问题。
1.2国外的机械情况
现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
他的结构是：
机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。
商名为Unimate（即万能自动）。
运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。
不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。
同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。
1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。
该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。
虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。
如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。
准备把故障前平均时间（注：
故障前CCMT2006展览会上，值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是1号馆W1-916意大利意沃乐EVOLUT公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司，他们的一台DC-5机器人修边、倒角装置特别引人注目。
该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺，甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工，因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作范围扩展到了金属切削及抛光领域。
工作单元还可以配备各种上料方式：
如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。
DC-5工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。
适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。
可以代替至少四个工人的工作量。
3D编程软件将以往8小时编程时间缩减为15分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。
意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机械人应用等等。
随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用必将与时俱进。
而且，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。
由此看来，工业机器人在机床上的应用会将越来越广。
1.3国内外机器人研究发展趋势
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
1工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。
⒉机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。
⒊工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
⒋机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
⒌虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
⒍当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。
美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。
⒎机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。
它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。
德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。
德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。
瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。
自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。
据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。
1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。
1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。
其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。
具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。
智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。
截止1979年，机械手累计产量达56900台。
在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。
使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。
预计到1990年将有55万机器人在工作。
第二代机械手正在加紧研制。
它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。
目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。
它与电子计算机和电视设备保持联系。
并逐步发展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingsystem）和柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。
随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
1．3国内形势：
经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促
进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。
如果说20世纪90年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。
机器人与机床相结合，以往主要是解决工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化24小时连续运转。
如擅长专机制作的意大利COMAU公司，他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬运，设计成由机器人完成。
当然，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机器人表现的舞台。
去年9月在汉诺威EMO2005展览会上，工业机器人的应用非常抢眼，而且它应用的领域也在扩大。
然而在这次CCMT2006展览会上，值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是1号馆W1-916意大利意沃乐EVOLUT公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司，他们的一台DC-5机器人修边、倒角装置特别引人注目。
该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺，甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工，因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作范围扩展到了金属切削及抛光领域。
工作单元还可以配备各种上料方式：
如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。
DC-5工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。
适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。
可以代替至少四个工人的工作量。
3D编程软件将以往8小时编程时间缩减为15分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。
意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机械人应用等等。
随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用必将与时俱进。
而且，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。
由此看来，工业机器人在机床上的应用会将越来越广。
1.4国内外机器人研究发展趋势
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
1.工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。
⒉机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。
⒊工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
⒋机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
⒌虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
⒍当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。
美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。
⒎机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
2课题设计的主要内容
1、分析五个自由度的功能和作业任务，确定机械手的结构形式；
2、进行机械手各关节的结构设计；
3、进行机械传动系统的设计；
4、在UG中进行三维装配图的建模。
3研究方法与技术途径
4实施计划
实施计划的流程如下：
1.理论分析课题的研究背景..........................................1天
2.确定设计方案....................................................2天
3.机械手自由度分析................................................2周
4.机械手的机械机构分析............................................2周
5.工作空间分析....................................................1周
6.传动方案分析设计................................................1周
7.机械手的UG模型建立.............................................6天
5主要参考文献（不少于5篇，其中外文文献至少1篇）
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）[M].北京：
高等教育出版社，2006.
[2]成大先.机械设计手册（第四版）[Z].北京：
化学工业出版社，2004.
[3]张春林.机械原理[M].北京：
高等教育出版社.2006.
[4]王连明，宋宝玉.机械设计课程设计（第四版）[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2010.
[5]朱龙根.简明机械零件设计手册[M].北京：
机械工业出版社，2003.
[6]CRAWFPRDW，GORMANM．Dreams，Madness，&Reality．Chicago：
AmericanLibraryAssociation，1995
指导教师意见
指导教师签字：
年月日
答辩小组意见：
组长签字：
年月日
教研室审查意见：
教研室负责人签字：
年月日
院系审查意见：
院系负责人签字：
（公章）
年月日
（此表由学生填写，指导教师、答辩小组、教研室、院系签署意见）
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